Wassertropfen statt Elektronen: Neuartiger Computer manipuliert Materie

Computer, deren Schaltkreise mit Flüssigkeiten arbeiten, gibt es bereits seit den 1960er Jahren. Sie werden in der Fluidik (fluidische Logik) beschrieben und nutzen das Prinzip der Strömungslehre. Heute werden solche dynamischen Fluidik-Systeme, die aus Kolben, Klappen oder Membranen aufgebaut sind, nur noch für wenige Sonderaufgaben verwendet. Der Stanford-Dozent Manu Prakash beschreitet mit seinem Team jedoch neue Wege: Durch die Beigabe von magnetisierbaren Nanopartikeln in einem flüssigen Medium kann ein Taktgeber eingesetzt werden.

Während alle früheren Systeme seriell und nicht synchron aufgebaut waren, wurde somit nun erstmals ein taktgesteuertes System entwickelt, das durch den parallelen Aufbau extrem skalierbar ist. "Unser Ziel ist es, eine komplett neue Geräteklasse zu erschaffen, die Materie gezielt und präzise manipulieren kann. Mit dieser Arbeit demonstrieren wir eine universelle und synchrone Logik aus Tropfen", sagt Prakash.

Stärken liegen nicht in der Rechenleistung

Mit elektronischen Computersystemen will die Gruppe nicht konkurrieren. Auch wenn durch den universellen Aufbau theoretisch jede Operation ausgeführt werden kann, die mit konventionellen elektrischen Schaltkreisen denkbar ist, liegen die Stärken woanders. Außer durch hohe Skalierungsfähigkeit besticht das System durch seine Präzision. Die Fähigkeit, Materie zu manipulieren, ermöglicht neue Anwendungen - absehbar sind diese allerdings noch nicht.

Denkbar ist der Einsatz in chemischen oder biologischen Test- oder Analyseverfahren, die mit Hilfe von Ferrofluiden beschleunigt werden könnten. Konkret wollen die Forscher chemische Stoffe mittels der Tropfen einschließen, um diese für weitere Verfahren schnell und effizient zu transportieren. Auch ein Chiplabor (Lab-on-a-Chip) ist möglich. Parkash ist von der Gleichzeitigkeit fasziniert: "Stellen Sie sich vor, dass neben Berechnungen nicht nur Information verarbeitet, sondern zusätzlich Materie algorithmisch manipuliert wird."

Eine Uhr als Taktgeber

Prakash beschäftigte sich bereits zu Schulzeiten mit der Idee, kleine Tropfen in Informationseinheiten zu verwandeln, mit deren Hilfe sich physikalische Eigenschaften verarbeiten und beeinflussen lassen. Während in elektrischen Schaltkreisen meist ein Schwingquarz als Taktgeber dient, hat sich Stanford für ein Drehfeld entschieden. Über den Magnetismus lassen sich die Tropfen nun wie in einem Uhrwerk synchronisieren.

"Der Grund dafür, dass Computer so präzise funktionieren, ist, dass jede Operation synchron abläuft. Deswegen ist die digitale Logik mächtig", sagt Parkash und beschreibt ein Beispiel aus der Realität: "Eine Soldatentruppe, die im Gleichschritt marschiert, wird über kurz oder lang auseinanderbrechen, wenn eine Person auffallend aus dem Takt gerät. Dasselbe gilt für simultane Computerberechnungen, wenn diese nicht über eine Uhr synchronisiert werden."